3. АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
Активационный анализ является методом, который наиболее широко используется для обнаружения и идентификации химических элементов. Впервые он был применен в 1936 г, когда Хевеши и Леви с помощью активации нейтронами определили следы диспрозия (Dy) и иттрии (Y).
Сущность метода заключается в том, что исследуемый (нерадиоактивный) образец подвергается облучению, а затем, замеряя активность полученного радионуклида, устанавливают его количество, соответствующее количеству исследуемого вещества. Облучение проводится потоком бомбардирующих частиц, чаще всего — нейтронов, хотя иногда активация проводится заряженными частицами или γ-квантами. Если образец бомбардируется нейтронами, то метод носит название нейтронно актиоационного анализа. Другие способы активации не имеют отдельных названий и используются только в специальных случаях, когда исследуемый элемент но активируется нейтронами или активируется со слишком малым выходом.
Активность, а значит, и количество радионуклида, образующегося в результате ядерной реакции при активации образца, прямо пропорциональны массе определяемого элемента в образце. Следовательно, по измеренной интенсивности излучения данного радионуклида в образце можно установить колитгетво исследуемого вещества, подвергнутого активизации.
Обычно при облучении образца возникает смесь радиоактивных изотопов различных других элементов, кроме определяемого. Их нужно разделить таким образом, чтобы радиоизотоп исследуемого вещества не имел примесей. Для радиохимического разделения компонентов облученный образец переводят в раствор.
Кроме количественного анализа образца, активационный анализ позволяет проводить и качественные исследования, т. е. идентифицировать образовавшиеся радионуклиды. Это можно сделать, опираясь на три ядерно-физические характеристики: тип испускаемого излучения, период полураспада и энергия испускаемого излучения. Некоторые трудности появляются, когда нужно провести распознавание состава сложных смесей. В этом случае смесь сначала разделяют на компоненты, а затем идентифицируют каждый из них в отдельности.
радиоактивный вещество радиоиндикаторный анализ
4. МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
Провести анализ нерадиоактивного вещества можно без его активации. Часто используются реакции взаимодействия ядерного и рентгеновского излучений с веществом, которое их поглощает или рассеивает, но активация исследуемого вещества не происходит. В основе методов, базирующихся на этом явлении, лежат следующие принципы:
- упругое рассеяние α-частиц;
-поглощение и рассеяние β-частиц и γ-квантов;
-возникновение рентгеновского характеристического излучения;
-поглощение и замедление нейтронов и др.
4.1 Метод анализа, основанный на упругом рассеянии заряженных частиц
Тяжелые заряженные частицы (24Не (γ-частицы), 73Li) проходят через анализируемую среду, взаимодействуя с атомами вещества. При этом наиболее важными видами взаимодействия являются упругое рассеяние на ядрах определяемого элемента, ионизация (обрыв электрона,) и возбуждение атомов определяемого элемента, а также торможение заряженных частиц. Однако упругое рассеяние происходит чаще всего. Надо сказать, что возникает оно в результате кулоновского взаимодействия ядра и заряженной частицы.
Рассматриваемый метод анализа основан на том, что кинетическая энергия падающей частицы не равна кинетической энергии рассеянной частицы. Для идентификации вещества используют отношение кинетической энергии частицы Е после упругого соударения к ее исходной энергии Ео. В результате получают спектр, расположение пиков на котором является индивидуальной характеристикой вещества. По величине пиков судят о количестве исследуемого вещества (чем пик выше, тем больше концентрация). Полученные пики сравнивают со стандартными пиками известных веществ.
После идентификации вещества устанавливают его концентрацию, сравнивая высоту экспериментального пика с пиком того же вещества известной концентрации.
4.2 Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии β-частиц
Проходя через анализируемое вещество, β-частииы вступают в реакции взаимодействия как на атомных ядрах, так и в электронных оболочках атомов. При этом энергия β-частиц уменьшается, а направление их движения изменяется, т. е. происходит рассеяние.
Потеря энергии β-частиц происходит вследствие неупругих соударений с ядрами атомов и электронами. При этом β-частица будет всегда отклоняться от исходного направления движения на угол, который зависит от исходной энергиичастицы, и от энергии, потерянной ею при взаимодействии
При упругом рассеянии β-частица изменяет направление движения, но полная энергия системы не меняется. Угол, на который отклоняется частица, зависит от ее скорости и от массового числа элемента. Масса β-частицы и атомного ядра очень различаются, поэтому частица отклоняется сильно, особенно если β излучение имеет низкую энергию. Кроме того,отклонение на большой угол возникает и тогда, когда β частица пролетает вблизи ядра. Но чаще всего β частицы движутся на большом расстоянии от ядра и отклоняются на меньшие углы. Анализ по β-поглощению основан па том, что поглощение β-излучения зависит от отношения заряда к массовому числу исследуемого элемента (Z/A) Обычно это отношение колеблется в пределах от 0,4 до 0,5, но исключение составляет водород (Z/A=1),поэтому его поглощающая способность вдвое больше, чем у остальных элементов, т е если в анализируемом веществе вместе с водородом находится еще какой-нибудь один элемент, то, измеряя поглощение β-излучения в анализируемом образце, можно определить его с высокой точностью.
Другой способ использования анализа по поглощению (β-излучения основан на том, что с изменением химического состава вещества изменяется его плотность. В случае двухкомпонентной системы можно, измеряя поглощение, определять концентрации растворов и составы смесей (т. е. осуществлять количественный анализ). Однако это возможно только в случае абсолютного отсутствия примесей в исследуемой системе.
В методе β-рассеяния измеряют интенсивность β-излучения, рассеянного анализируемым образцом. Эта интенсивность является индивидуальной характеристикой элемента.
4.3 Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии γ излучения
При взаимодействии γ-квантов, энергия которых мала, с веществами большую роль играет фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Это явление состоит в том, что практически вся энергия γ-кванта передается одному из электронов атома, который из-за избытка энергии отрывается от атома. Испускаемый электрон приобретает кинетическую энергию, равную разности энергии исходного γ-кванта и энергия электрона в атоме.
После высвобождения электрона происходит мгновенное заполнение электронного уровня, сопровождавшееся характеристическим рентгеновским излучением. Энергия этого излучения часто сразу же передается наиболее слабо связанному наружному электрону, который вылетает из этома. Такие электроны называются электронами Оже. Фотоэлектроны теряют свою энергию в тех же процессах, что и β-излучение.
Анализ по поглощению γ-квантов основан на изменении плотности потока γ- или рентгеновского излучения при прохождении через вещество. Степень поглощения фотонного излучения является основной характеристикой вещества в этом методе.
Методы анализа, основанные на рассеянии γ-излучения, используются в тех случаях, когда к исследуемому образцу нет доступа с двух сторон. В основе метода лежит тот факт, что интенсивность рассеянного γ-излучения зависит от энергии падающего излучения, атомного номера определяемого элемента, толщины образца и схемы исследования. При возрастании заряда определяемого элемента в анализируемом образце увеличивается плотность потока рассеянного γ-излучения.